Эксимерные лазеры Санкт-Петербург 2011

Эксимерные лазеры Санкт-Петербург 2011

ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР – газовый лазер, работающий на электронных переходах эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённых состояниях). То, что эксимерных молекул в основном состоянии не существует объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO 2 или N 2, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно- вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: - образованные частицами одного и того же вещества - частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, excited dimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excited complex - возбужденный комплекс).

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А 2* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход. Зависимость энергии эксимерной молекулы Этот переход характеризуется следующими важными от расстояния между составляющими её свойствами: атомами; (верхняя кривая - для верхнего лазерного • При переходе молекулы в основное состояние в уровня, нижняя кривая-для нижнего). результате генерации она немедленно диссоциирует; • Не существует четко выраженных вращательно- колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным. • Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция. • Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

Параметры эксимерных лазеров В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице: Эксимерные комплексы Квазимолекулы благородных Окислы Пары газов благородных газов металлических соединений Активная квазимолекула Xe 2* Kr 2* Ar. O* Kr. O* Xe. O* Cd. Hg* λген, нм (в центре лин. перех. ) 172 145, 7 126 558 540 470 ∆λ, нм (ширина линии 20 13, 8 8 4 1, 5 25 усиления) Римп, МВт (Рср, Вт) 75 50 τ, нс 10 4 -15 Активная квазимолекула Xe. Br* Xe. F* Ar. Cl* Xe. Cl* Kr. F* λген, нм 282 351 193 175 308 220 248 ∆λ, нм (ширина линии 1, 5 2 2, 5 5 4 усиления) Римп, МВт (Рср, Вт) (100) 3 1000 (0, 02) (7) 5 (0, 05) 1000 τ, нс 20 55 10 5 30 55

Длина волны излучения Э. л. лежит в видимой или ближней УФ- области спектра. Излучение эксимерных лазеров в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Ширина линии усиления лазерного перехода Э. л. аномально велика, что связано с разлётным характером нижнего терма перехода. Мощность этих источников достигает единиц к. Вт. Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс.

Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым, В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe 2), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172 нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, Xe. Br), что было запатентовано в 1975 году Джорджем Хартом и Стюартом Сирлесом из исследовательской лаборатории ВМС США. Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0, 1 - 1 МПа.

Лазеры на галогенидах инертных газов Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать Ar. F (λ = 193 нм), Kr. F (λ = 248 нм), Xe. Cl (λ = 309 нм), Xe. F (λ = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне. В возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда. В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения (фотодиссоциация исходного галогена, фотоионизация возбужденных атомов и молекул , фотодиссоциация димеров ионов инертного газа). Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом. Важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии. Это приобретает особое значение для лазеров на галогенидах инертных газов, так как их существенным отличием от большинства типов газовых лазеров оказывается наличие ненасыщающегося (линейного) фотопоглощения в активной среде.

Лазеры на окислах инертных газов Лазеры на окислах инертных газов могут быть использованы при необходимости получения импульсов с длительностью порядка наносекунды и меньше и энергией несколько килоджоулей. Это связано с тем, что сечение вынужденного излучения генерирующего перехода в таких системах удовлетворяет необходимым требованиям. С одной стороны оно должно быть достаточно малым, чтобы паразитные потери не истощали инверсию населенностей, и в то же время для эффективного извлечения запасенной энергии это сечение должно быть достаточно большим, чтобы насыщение происходило при величинах потока, не достигающих порога разрушения оптических материалов. Учитывая все эти требования, можно заключить, что сечение вынужденного излучения должно быть около 10 в -12 см 2. Что касается методов накачки, то кислород (или другие доноры элементов VI группы) в смеси с инертными газами целесообразно подвергнуть действию электронного пучка, чтобы воспользоваться передачей энергии за счет столкновений. Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов Обычно эксимерные лазеры на инертных газах работают при относительно высоких давлениях (более двух атмосфер), а источником возбуждения являются пучки электронов сравнительно высокой энергии и плотности (~1 Мэ. В, сотни А·см-2). При таких условиях концентрация электронов в образующейся плазме довольно высока (более 1014 см-3).

Лазеры на двухатомных галогенах Лазерная накачка электронным пучком или разрядом способна быстро и эффективно создавать первичные состояния Основные кинетические процессы, во всем объеме газа. В реакциях с передачей энергии от протекающие в лазерах на галогенидах примеси галогену образуются возбужденные атомы галогенов X*. Возможной реакцией, в которой создаются другие первичные состояния, является реакция с одновременным образованием отрицательных ионов X - (за счет диссоциативного прилипания электронов низкой энергии) и галогенсодержащих положительных ионов X+ или RX+. Реакции ион-ионной нейтрализации (процесс 1) могут затем произвести возбужденные состояния гомоядерных галогенов. Возбужденные нейтральные атомы могут образовывать молекулы галогенов путем гарпунных реакций (процесс 2). При высоком давлении газа в рабочем объеме быстрая электронная и колебательная релаксация приводит к заселению наинизших уровней ионных термов. Дезактивация верхних уровней происходит за счет излучения (процесс 4) и тушения (процесс 5), первый из которых является желательным, а второй - нежелательным процессом. Из спектроскопических измерений следует, что излучательные процессы заканчиваются на высоких колебательных уровнях нижней потенциальной кривой, которая не представляет собой основное состояние. Последующие столкновения в газе способствуют быстрой колебательной релаксации или даже диссоциации нижнего уровня, поддерживая таким образом инверсию населенностей. К заселению верхнего лазерного уровня могут приводить несколько различных процессов. Нижний уровень не обязательно является самым низким энергетическим состоянием молекулы.

Лазеры на парах металлов Эксимерные молекулы с атомами металлов характеризуются несколькими важными свойствами: 1) их эксимерные полосы располагаются на крыльях линий паров металлов; следовательно, наиболее интересные полосы, соответствующие переходам из основного состояния в первое возбужденное, обычно находятся в видимой или ближних УФ и ИК областях спектра; 2) многие из возбужденных состояний AB*, определяющие эти полосы, являются слабосвязанными. Для того, чтобы иметь соответствующее давление паров металлов, требуемое для получения достаточного коэффициента усиления, необходимы повышенные температуры (за исключением случая Hg). При этом возникает сложная техническая проблема, связанная с химическим взаимодействием с материалами окон и прокладок; 3) энергия атомов металлов в наинизшем возбужденном состоянии, как правило, составляет менее половины энергии ионизации. Это свойство имеет важные следствия для электронных столкновительных сечений, которыми определяется КПД потенциальных электроионизационных и электроразрядных лазеров высокой мощности. Наличие слабой связи у многих эксимеров с участием атомов металлов сильно отражается на их оптических свойствах, когда они используются как лазерная среда.

Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа В эксимерных лазерах избыток энергии должен эффективно выводиться как избыток тепла. Обычно активная среда содержится в алюминиевом резервуаре определенного объема под давлением. Встроенный вентилятор создает мощную циркуляцию рабочего газа, что позволяет сохранять активную среду хорошо перемешанной и обновляемой в области генерации и получать высокую скорость прохождения газа через фильтр и теплообменник. Резонатор эксимерного лазера. Пример кюветы с коронной предионизацией и системой охлаждения: A - коронный разряд, B - электроды, C - кювета, D - вентилятор, E - электростатический фильтр, F - теплообменник

Накачка • Накачка электронным пучком (Достоинства этого способа: возможность возбуждения высоколежащих уровней атомов (т. е. получения излучения в УФ и видимом диапазонах длин волн); возможность возбуждения газов при высоком давлении и больших объемах, что обеспечивает получение больших энергий излучения; возможность работы при частотах следования импульсов до 100 и более Гц и, следовательно, получение больших средних мощностей излучения. Недостатки: трудности введения энергии электронного пучка в газ с достаточно равномерным ее распределением по объему, сложность электронных ускорителей, существенно повышающих стоимость лазера. ) • Накачка электрическим разрядом (При использовании этого способа накачки эксимерных лазеров необходимо обеспечить предионизацию активной среды. ) • Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом (Более простой в технической реализации способ накачки эксимерных лазеров. В этом случае для получения возбужденных квазимолекул применяется быстрый поперечный разряд. ) • Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком (Комбинированный способ накачки позволяет сохранить преимущества возбуждения электронным пучком и создать потенциальные возможности для повышения эффективности лазера за счет более полного использования энергии электрического разряда. ) • Накачка двойным электрическим разрядом (Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. )

Параметры выходного излучения Сильное влияние на параметры выходного излучения лазера оказывает резонатор. В качестве резонаторов в эксимерных лазерах используются неустойчивые системы. Достоинства такого резонатора: -возможность высокоэффективной селекции поперечных мод при больших числах Френеля, что практически соответствует большому поперечному сечению активной среды, обеспечивающей большую выходную мощность. -в лазерах с неустойчивыми резонаторами обычно генерируется только низший поперечный тип колебаний -все участки поперечного сечения активной среды зондируются полем достаточно высокоэффективно, что, в свою очередь, обеспечивает высокий КПД -сужение пучка вблизи точки схода лучей, что позволяет использовать дополнительные оптические элементы с небольшим поперечным сечением внутри резонатора Устойчивые и плоские типы резонаторов также используются в эксимерных лазерах. Генераторы с плоскими или устойчивыми резонаторам позволяют получать расходимость, близкую к дифракционной, при размещении внутри резонатора одной или двух диафрагм малого диаметра.

Профиль пучка эксимерного лазера. Выходное излучение характеризуется специфическим (близким к прямоугольному в поперечном сечении) распределением поля. В одном продольном сечении пучок излучения эксимерного лазера имеет вид гауссоиды, а в другом - супергауссоиды. Также пучок лазерного излучения характеризуется стабильностью направленности и, следовательно, положения пятна на плоскости анализа Стабильность направленности и позиции пучка Kr. F лазера

Достижение однородности пучка Kr. F лазера (вводят элемент, называемый гомогенизатором) Спектр излучения эксимерных лазеров часто является сравнительно широкополосным. Это позволяет использовать эти генераторы для накачки других лазеров (часто лазеров на красителях), а также организовать перестройку длины волны излучения лазера. Эксимерный лазер является самым мощным источником ультрафиолетового излучения.

Применения 1) Фотолизное возбуждение лазерных сред. (Представляет собой случай, когда используется эксимерное излучение в некогерентном виде. В этом случае источник фотонов, возбуждаемый каким-либо способом (например, накачка электронным пучком, разрядом или их комбинацией) посылает излучение через окно в поглощающую активную среду. ); 2) Генерация коротковолнового излучения. (Рентгеновские когерентные источники нашли применение в диагностике очень плотной плазмы, микропроцессах, биохимических и генетических исследованиях. Также источники этого типа применяются в рентгеновской голографии, производстве компонент для микроэлектроники. ); 3) Фотолитография (производство интегральных схем) ; 4) Прецизионная обработка материалов (металлы, керамика, алмазы); 5) Производство жидкрокристаллических дисплеев; 6) Производство элементов оптоволоконной связи; 7) Дерматология;

4) Офтальмология (рефракционная хирургия, глаукома); LASIK (акроним Laser-Assisted in Situ Keratomileusis — «лазерный кератомилёз» ) — современный вид коррекции зрения при помощи эксимерного лазера. Данная операция позволяет исправить различные нарушения зрения: дальнозоркость (до +4 диоптрий), близорукость (до − 15 диоптрий), астигматизм (до ± 3 диоптрий). Операция практически безболезненна, выполняется быстро и позволяет вернуть человеку нормальное зрение. Коррекция зрения методом LASIK

Спасибо за внимание! =) Доклад подготовила студентка 811 группы, Румянцева Н. Н. Санкт-Петербург 2011